大型起重機(jī)降載荷當(dāng)量試驗(yàn)方法的研究與應(yīng)用

趙世軍

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)化生產(chǎn)的需要，起重機(jī)的起重量逐漸加大，在對(duì)起重機(jī)進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)和日常使用過(guò)程中，如何進(jìn)行起重機(jī)的額載、動(dòng)載、靜載試驗(yàn)，是困擾特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和起重機(jī)械使用單位的一大難題。山西省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院與太原科技大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的大型起重機(jī)降載荷當(dāng)量試驗(yàn)方法，將在很大程度上解決這一難題，為降低試驗(yàn)費(fèi)用，提高試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：大型起重機(jī)降載荷當(dāng)量試驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)： U467.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

1現(xiàn)狀分析

起重機(jī)靜載試驗(yàn)是起重機(jī)結(jié)構(gòu)承載能力檢測(cè)的重要手段，但在對(duì)大型橋、門式起重機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)，受使用場(chǎng)地限制，大噸位試驗(yàn)載荷的加載、準(zhǔn)確控制，載荷及吊具準(zhǔn)備，費(fèi)用高昂，潛在的危險(xiǎn)性高等因素使得載荷試驗(yàn)在實(shí)施中存在諸多困難。因此，急需研究起重機(jī)系統(tǒng)載荷與變形的相關(guān)性，提出一種科學(xué)有效的降載當(dāng)量試驗(yàn)方法，能夠由小噸位載荷下的應(yīng)力、位移反映大噸位載荷下的應(yīng)力、位移，提高起重機(jī)載荷試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2試驗(yàn)方法的研究成果概述

（1）建立了考慮非線性效應(yīng)的起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)力、位移與載荷的計(jì)算模型；

（2）提出了大型起重機(jī)降載當(dāng)量試驗(yàn)方法，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)力、位移與載荷映射模型，更加趨近真實(shí)；

（3）提出基于相似理論的大型起重機(jī)降載試驗(yàn)方法，采用應(yīng)力相似比、位移相似比解決傳統(tǒng)具體檢測(cè)模型與計(jì)算模型之間存在差異修正時(shí)求解力學(xué)分問(wèn)題的問(wèn)題。

（4）提出起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)邊界非線性效應(yīng)受跨度影響，建立起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)力、位移與載荷、跨度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射模型；

（5）首次提出采用相似理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法，更加經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的獲得反映真實(shí)的，考慮非線性效應(yīng)影響的應(yīng)力、位移與載荷關(guān)系的降載試驗(yàn)當(dāng)量方法。

（6）首次提出和完成了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的大型起重機(jī)降載當(dāng)量實(shí)驗(yàn)方法指南，作為特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范草案，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外空白。

3試驗(yàn)方法的驗(yàn)證及應(yīng)用

自2012年1月-2014年10月，該院綜合應(yīng)用大型起重機(jī)降載試驗(yàn)方法體系中的多項(xiàng)成果，聯(lián)合課題參加單位太原科技大學(xué)對(duì)太原鋼鐵集團(tuán)公司和陽(yáng)煤化工等企業(yè)的新服役橋式起重機(jī)進(jìn)行了降載當(dāng)量試驗(yàn)工程范例，系統(tǒng)的分析、比較不同降載比例對(duì)降載計(jì)算誤差的影響。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程總結(jié)試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的影響測(cè)試的因素，完善試驗(yàn)流程及試驗(yàn)方案，提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的“大型橋式起重機(jī)降載當(dāng)量試驗(yàn)軟件”，對(duì)100余臺(tái)額定起重量在20～125 t起重機(jī)以10 t為梯次逐步加載至靜載試驗(yàn)要求，進(jìn)行降載當(dāng)量試驗(yàn)檢測(cè)，并對(duì)降載比例在試驗(yàn)中影響進(jìn)行分析，對(duì)降載試驗(yàn)方案完善。

4基于理論模型的降載計(jì)算方法

理論模型降載計(jì)算方法主要是，以基于一定的理想假定簡(jiǎn)化的理論基礎(chǔ)上建立的參數(shù)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。代表方法是基于有限元的模型修正，即以降載載荷下測(cè)試的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，修正結(jié)構(gòu)模型，使結(jié)構(gòu)計(jì)算模型響應(yīng)與測(cè)試響應(yīng)趨于一致，并以修正后模型預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)構(gòu)在大載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

根據(jù)模型修正方法可以依據(jù)不同的準(zhǔn)則進(jìn)行分類。依據(jù)試驗(yàn)加載方式和已知響應(yīng)信息類型的不同，結(jié)構(gòu)有限元模型修正分為基于動(dòng)力信息（利用頻率、振型等信息）和基于靜力信息（利用位移、應(yīng)變和曲率等信息）的方法。根據(jù)修正對(duì)象的不同，有限元模型修正又可分為矩陣型修正和元素型修正兩大類。模型修正算法又可以分為直接算法和迭代算法。具體的模型修正問(wèn)題可以是以上情況的組合。

設(shè)靜力載荷作用下，基于原始有限元模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)為 ，其測(cè)量值為 。一般情況下，計(jì)算值和測(cè)量值間存在一定的偏差， 。當(dāng)測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于待修正參數(shù)的個(gè)數(shù)時(shí)，可以通過(guò)最小二乘法，求得待修正參數(shù)的修正增量為：

（Ⅳ-1）

利用上述兩式，可通過(guò)迭代實(shí)現(xiàn)參數(shù)修正，具體步驟如下：

步驟1：進(jìn)行第k+1次迭代時(shí)，利用有限元模型計(jì)算在已知參數(shù) 下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) ，與測(cè)量值 比較，計(jì)算響應(yīng)誤差 。步驟2：計(jì)算靈敏度 。步驟3：計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)的增量 。步驟4：修正結(jié)構(gòu)參數(shù) 。步驟5：重復(fù)1～4，直至滿足收斂條件：

（Ⅳ-2）

（Ⅳ-3）

表示向量范數(shù)； 和 為判斷計(jì)算是否收斂設(shè)定的相對(duì)誤差。

靜力載荷試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)有限元模型修正原理：利用結(jié)構(gòu)靜力載荷試驗(yàn)的實(shí)測(cè)響應(yīng)，直接在結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)有限元模型的參數(shù)（截面特性或彈性模量），使得結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)靜力響應(yīng)的差異最小，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力有限元模型參數(shù)的修正。結(jié)構(gòu)靜力有限元模型修正的結(jié)果是得到一個(gè)與當(dāng)前結(jié)構(gòu)“等價(jià)”的有限元計(jì)算模型，所謂“等價(jià)”指修正后的結(jié)構(gòu)有限元模型在靜力受力-變形關(guān)系上接近于結(jié)構(gòu)靜力才和測(cè)試結(jié)果。

結(jié)構(gòu)靜力有限元模型修正過(guò)程按數(shù)學(xué)優(yōu)化概念可表述為：在一定（合理）范圍內(nèi)尋找合適的結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù)，使得結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算的靜力響應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)測(cè)試的靜力響應(yīng)的差異最小。結(jié)構(gòu)靜力有限元模型修正可轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題的求解：

（Ⅳ-4）

式中： 為待修正的結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù)及； 、 為結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù)集 上、下限（合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍），是優(yōu)化問(wèn)題的約束條件。 為反映結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)響應(yīng)差異的指標(biāo)函數(shù)向量，是優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)。

形式、測(cè)試載荷工況及測(cè)試響應(yīng)信息的不同，目標(biāo)函數(shù) 有多種構(gòu)造形式，通用的形式可表示為：

（Ⅳ-5）

式中： 是結(jié)構(gòu)靜力載荷試驗(yàn)的實(shí)測(cè)響應(yīng)；

是與 對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)；

為結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)荷載；

是單個(gè)函數(shù)時(shí)，為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題， 是函數(shù)向量集時(shí)，為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

轉(zhuǎn)化為標(biāo)量的單目標(biāo)函數(shù)形式：

（Ⅳ-6）

式中： 和 為第 個(gè)實(shí)測(cè)響應(yīng)與對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)。

5結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)本方法，可由大型橋式起重機(jī)在降載（小載荷）下的應(yīng)力、位移測(cè)試值，預(yù)測(cè)計(jì)算靜載荷作用下的應(yīng)力、位移值。

（2）由降載比例、儀器測(cè)試誤差與計(jì)算誤差之間的關(guān)系可以看出，測(cè)試載荷的降低，提高了對(duì)測(cè)試儀器精度的要求。

（3）該方法對(duì)具體實(shí)際大型起重機(jī)載荷試驗(yàn)檢測(cè)具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

因此，該研究方法的提出，不僅適合我國(guó)起重機(jī)行業(yè)實(shí)際情況的安全狀況綜合評(píng)價(jià)方法和研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，具有創(chuàng)新性，而且為特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和使用單位在對(duì)新裝、改造、大修、在用起重機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)，提供了一個(gè)簡(jiǎn)便、快捷、實(shí)用的檢驗(yàn)檢測(cè)方法。

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